Eletrônica

Chip óptico cria nova abordagem para computação quântica

Chip óptico cria nova abordagem para computação quântica
Este é o chip fotônico, formado por uma rede de guias de ondas por onde os fótons fazem sua caminhada. A saída da rede óptica pode ser vista na superfície do chip. [Imagem: Jasmin Meinecke]

Um grupo internacional de pesquisa, liderado por cientistas da Universidade de Bristol, na Inglaterra, desenvolveu uma nova abordagem para a computação quântica que poderá em breve ser usada para realizar cálculos complexos, que não podem ser feitos pelos supercomputadores de hoje.

"É uma crença geral que um computador quântico não se tornará uma realidade pelos próximos 25 anos ou mais," diz o professor Jeremy O'Brien. "No entanto, nós acreditamos que, utilizando a nossa nova técnica, um computador quântico poderá, em menos de dez anos, executar cálculos que estão além da capacidade dos computadores convencionais."

Caminhada quântica

A nova abordagem usa duas partículas idênticas de luz (fótons) movendo-se ao longo de uma rede de circuitos ópticos no interior de um chip de silício - um experimento conhecido como caminhada quântica.

Caminhadas quânticas utilizando um único fóton já foram realizadas antes e podem até mesmo ser modeladas com exatidão pelas ondas da física clássica. No entanto, esta é a primeira vez que uma caminhada quântica foi sido realizada com duas partículas.

E as implicações disso têm um alcance muito maior do que meros 1 + 1 = 2.

Passar de um para dois fótons não é nada trivial porque as duas partículas têm que ser idênticas em todos os sentidos e por causa da forma como estas partículas interferem ou interagem umas com as outras. Não há nem mesmo uma analogia direta dessa interação fora da física quântica.

"Usando um sistema de dois fótons, podemos executar cálculos que são exponencialmente mais complexos do que antes," diz o professor O'Brien. "Isso é basicamente o início de um novo campo na ciência da informação quântica e abrirá o caminho para computadores quânticos que irão nos ajudar a entender os problemas científicos mais complexos."

Chip óptico cria nova abordagem para computação quântica
Esta é uma representação gráfica da caminhada quântica de dois fótons. O tamanho, a cor e a intensidade dos pontos correspondem à probabilidade de os dois fótons aparecerem em cada local. As duas áreas de maior probabilidade são uma marca registrada do comportamento quântico. [Imagem: Proctor & Stevenson]

Simulações quânticas

No curto prazo, a equipe espera a aplicar os seus novos resultados imediatamente para o desenvolvimento de novas ferramentas de simulação em seu próprio laboratório.

As caminhadas aleatórias - clássicas - são usadas há anos para desenvolver algoritmos de computador mais eficientes. Só recentemente os cientistas começaram a explorar o potencial das caminhadas quânticas para resolverem problemas de forma mais rápida, otimizando inclusive o funcionamento dos computadores eletrônicos atuais.

No longo prazo, um computador quântico baseado em uma caminhada quântica de múltiplos fótons poderá ser usado para simular os próprios processos regidos pela mecânica quântica, como a supercondutividade e a fotossíntese, complexos demais para qualquer supercomputador atual.

"Agora que podemos executar e observar diretamente caminhadas quânticas de dois fótons, passar para três fótons, ou multifótons, é relativamente simples" afirma o pesquisador. Isto porque eles já resolveram o problema da interação entre as partículas no interior do seu dispositivo, de longe o problema mais desafiador.

"Cada vez que adicionamos um fóton, a complexidade do problema que passamos a ser capazes de resolver aumenta exponencialmente. Assim, se uma caminhada quântica de um fóton tem 10 resultados, um sistema de dois fótons pode dar 100 resultados e um sistema de três fótons 1000 soluções e assim por diante," conclui ele.

Bibliografia:

Quantum Walks of Correlated Photons
Alberto Peruzzo, Mirko Lobino, Jonathan C. F. Matthews, Nobuyuki Matsuda, Alberto Politi, Konstantinos Poulios, Xiao-Qi Zhou, Yoav Lahini, Nur Ismail, Kerstin Worhoff, Yaron Bromberg, Yaron Silberberg, Mark G. Thompson, Jeremy L. OBrien
Science
17 September 2010
Vol.: 329, pp 1500-1503
DOI: 10.1126/science.1193515




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